Struttura degli Acidi Nucleici: DNA, RNA

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Struttura degli Acidi Nucleici: DNA, RNA

La Genetica è la scienza che studia i geni, i caratteri ereditari e la variabilità genetica degli organismi (genetica: dal greco gennao = dare vita, generare).
Il DNA o ACIDO DEOSSIRIBONUCLEICO (desossiribonucleico) è la molecola centrale della vita poichè contiene tutte le informazioni ereditarie degli organismi cellulari e dei virus a DNA.
Il DNA è presente nei nuclei cellulari, organizzato nei cromosomi, e in organelli citoplasmatici tra cui i mitocondri e cloroplasti (cellule vegetali), ha il compito di dirigere la propria replicazione durante la divisione cellulare e la trascrizione di molecole complementari di RNA.
La Struttura del DNA è stata scoperta nel 1953 da James Watson e Francis Crick i quali, partendo da studi dei cristalli di DNA mediante la tecnica di diffrazione dei raggi X, osservarono che il DNA produceva una diffrazione dei raggi caratteristica, cioè delle macchie caratterizzate da
una croce al centro con bande molto intense a dx e a sx corrispondenti alle basi, per cui riuscirono a descrivere la struttura del DNA-B che è quella più rappresentata in natura nelle cellule eucariotiche e procariotiche, costituito da 2 filamenti polinucleotidici avvolti a spirale uno sull’altro in maniera destrorsa, in senso orario formando una doppia elica.
Per cui il Nucleotide rappresenta l’unità fondamentale del DNA, costituito da una base azotata, uno zucchero e un gruppo fosfato.
Le basi azotate sono anelli eterociclici di atomi di C e N, distinte in purine e pirimidine:

basi azotate puriniche: adenina (A) e guanina (G).
basi azotate pirimidiniche: citosina (C), timina (T); nell’RNA la T è sostituita dall’uracile (U).

Lo zucchero presente nei nucleotidi del DNA è un residuo del deossiribosio, cioè un pentoso a 5 atomi di C a forma di anello, mentre nell’RNA è presente un residuo del ribosio.
Il gruppo fosfatoviene indicato con PO43 -.
I nucleotidi sono distinti in monofosfato, difosfato e trifosfato a seconda della presenza di 1, 2 o 3 gruppi fosfato, che nel caso del DNA prendono il nome di deossiribonucleotidi perché lo zucchero è il deossiribosio che a livello del C1’ si lega alla base azotata: deossiadenosina monofosfato, difosfato e trifosfato dAMP, dADP, dATP, deossiguanosina dGMP, dGDP, dGTP, deossiuridina dUMP, dUDP, dUTP, deossitimidina dTMP, dTDP, dTTP, deossicitidina dCMP, dCDP, dCTP.
In assenza del gruppo fosfato si parla di Nucleoside, costituito dallo zucchero e base azotata, con distinzione tra nucleosidi purinici adenosina e guanosina, e pirimidinici citidina, timidina e uridina.
Quindi il DNA è un polimero di unità monomeriche dette nucleotidi, uniti tra loro da legami fosfodiesterici, in cui l’atomo di C in posizione 5’ di un residuo di zucchero si lega mediante un gruppo fosfato all’atomo di C in posizione 3’ del residuo di zucchero successivo, formando la catena polinucletodica con alternanza tra zuccheri e fosfati.
Per convenzione la direzione delle sequenze degli acidi nucleici è sempre 5’→3’: l’estremità 5’ e 3’ sono costituite da nucleotidi terminali con i gruppi 5’ e 3’ liberi.
Inoltre, Watson e Crick hanno dimostrato che:

le basi puriniche e pirimidiniche sono disposte all’interno della doppia elica, mentre le catene zucchero-fosfato sono disposte all’esterno riducendo al minimo le repulsioni tra i gruppi fosfato carichi, costituendo la porzione invariabile del DNA.
i piani delle basi sono perpendicolari all’asse longitudinale dell’elica.
ogni base di un filamento è legata mediante deboli legami H ad una base del filamento opposto e questi legami si stabiliscono tra coppie di basi specifiche, cioè tra adenina e timina (A=T) unite da 2 legami H, guanina e citosina (G≡C) unite da 3 legami H, per cui le coppie di basi sono complementari e i 2 filamenti sono complementari cioè la sequenza di un filamento determina la sequenza dell’altro: se un filamento ha la sequenza A-C sull’altro avremo la sequenza T-G.
i 2 filamenti sono antiparalleli, cioè corrono in direzioni opposte, 5’→3’ e 3’→5’.

Tutto ciò rispetta le cosiddette regole di Chargaff, cioè:

il n° dei residui di A è = al n° dei residui di T, cioè la quantità di A = alla quantità di T.
il n° dei residui di G è = al n° dei residui di C, cioè la quantità di G = alla quantità di C.
per cui la somma dei residui purinici è = alla somma dei residui pirimidinici, cioè A + T = G + C, per cui la composizione in basi del DNA può essere specificata in %: ad es. un DNA con una % in GC = 40% e AT = 60% ha una composizione in basi pari a: G 20%, C 20%, A 30%, T 30%.
i filamenti nucleotidici sono separati da una distanza regolare di 1 nm rispetto al centro dell’elica.
la doppia elica ha un Ø di 2,37 nm e forma un giro completo ogni 3,4 nm corrispondente al passo di ciascun filamento dell’elica, costituita da 10 coppie di basi per giro.
il DNA presenta 2 profonde scanalature che si trovano all’esterno con andamento a spirale, tra le catene di zucchero-fosfato, cioè il solco maggiore e il solco minore dovuti al fatto che le 2 basi hanno dimensioni diverse, per cui i 2 filamenti non sono equidistanti dal centro dell’elica.

Oltre al DNA-B sono state identificate altre conformazioni cioè il DNA A e Z.
Il DNA A è la forma che il DNA assume in condizioni di bassa umidità e disidratazione, rappresentata da un’elica destrorsa con Ø di 2,5 nm, passo di 2,9 nm costituita da 11 coppie di basi per giro dell’elica con piano inclinato di 20° rispetto all’asse dell’elica, solco maggiore più ampio, solco minore più stretto rispetto al DNA-B, per cui si presenta come un nastro piatto avvolto intorno ad un buco cilindrico.
Il DNA Z è costituito da una doppia elica sinistrorsa, levogira, con Ø di 1,8 nm, passo di 4,6 nm contenente 12 coppie di basi per giro, solco maggiore più superficiale, non distinguibile e solco minore più profondo, simile ad una punta da trapano sinistrorsa. Le coppie di basi hanno il piano ruotato di 180° rispetto all’asse della doppia elica, per cui l’unità ripetitiva è un dinucleotide, anziché 1 nucleotide, in cui i legami fosfodiesterici procedono a zig-zag (DNA-Z).
L’RNA o ACIDO RIBONUCLEICO differisce dal DNA perché:

è un acido nucleico a singolo filamento (5’→3’) costituito da unità monomeriche o nucleotidi tenuti insieme da legami fosfodiesterici.
lo zucchero è il β-D-Ribosio con presenza del gruppo OH in posizione 2 (C2’).
le basi azotate sono adenina, guanina, citosina e uracile al posto della timina che rispetto all’U presenta un gruppo metilico CH3 in posizione 5.

Inoltre, l’RNA, rispetto al DNA, è una molecola a breve emivita che viene continuamente sintetizzata grazie alla trascrizione del DNA e distrutta dalla cellula in base alle sue esigenze.
Dal punto di vista Funzionale possiamo distinguere vari tipi di RNA:

rRNA o RNA ribosomiale (80%): sintetizzate nei nucleoli e assemblate nel citoplasma alle proteine ribosomiali sintetizzate nel R.E.R. formando la subunità maggiore e minore dei ribosomi su cui avviene la traduzione o sintesi proteica.
tRNA o RNA transfer o di trasferimento (15%): hanno il compito di trasferire gli amminoacidi ai ribosomi durante la sintesi proteica ed esiste un t-RNA specifico per ogni amminoacido.
mRNA o RNA messaggero (5%): regola la sintesi dei polipeptidi sui ribosomi durante la traduzione.
snRNA o piccolo RNA nucleare (small nuclear RNA), sno-RNA o piccolo RNA nucleolare..

Sintesi o Replicazione del DNA

La Sintesi o Replicazione del DNA avviene durante la fase S del ciclo cellulare con duplicazione del DNA parentale e formazione di 2 molecole di DNA identiche che saranno distribuite nelle 2 cellule figlie al momento della divisione cellulare.
In pratica, ciascuno dei 2 filamenti del DNA funge da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare, favorendo la sintesi di 2 molecole di DNA a doppia elica ciascuna formata da un filamento derivante dal DNA parentale della cellula progenitrice e un filamento complementare neosintetizzato, per cui la replicazione del DNA è semi-conservativa perché il DNA delle cellule figlie è identico a quello della cellula progenitrice (replicazione conservativa, dispersiva).
La sintesi del DNA viene controllata da vari enzimi e proteine, tra cui l’enzima DNA polimerasi.
Nelle Cellule Procariotiche esistono 3 tipi di DNA polimerasi: la DNA polimerasi III deputata alla replicazione del DNA con attività di sintesi in direzione 5’→3’ e velocità di sintesi pari a ~ 1000 nucleotidi/sec., la DNA polimerasi I deputata alla replicazione e riparazione, DNA polimerasi II deputata alla riparazione. La riparazione si deve alla attività di esonucleasi 3’→5’ con correzione degli errori che avvengono durante la sintesi (correzione di bozze).
Nelle Cellule Eucariotiche esistono 3 classi principali di DNA polimerasi:

DNA polimerasi DNA-dipendenti, ad alta fedeltà: sono dette DNA-dipendenti perché usano il filamento stampo di DNA per la sintesi del filamento complementare, e sono dette ad alta fedeltà perché sono dotate di attività esonucleasica 3’→5’ di correzione di bozze con alta fedeltà di replicazione (1 errore/10 nucleotidi copiati).

Nel nucleo la sintesi si deve alla DNA polimerasi α e δ con velocità di sintesi pari a ~ 50 nucletotidi/sec., mentre la riparazione si deve alla DNA polimerasi ε che è in grado di identificare le basi incorporate in maniera errata, tagliare il segmento di DNA contenente l’errore e sintetizzare il DNA corretto.
Nei mitocondri la sintesi e riparazione del DNA sono modulate dalla DNA polimerasi γ.

DNA polimerasi DNA-dipendenti, a bassa fedeltà: ricordiamo la DNA polimerasi ι (iota) che ha un tasso di errore 20.000 volte > alle DNA polimerasi ad alta fedeltà (cellule del SI).
DNA polimerasi RNA-dipendenti o trascrittasi inverse: questi enzimi sintetizzano il DNA utilizzando uno stampo di RNA, come l’enzima telomerasi deputato alla sintesi dei telomeri.

Nelle fasi iniziali si ha l’intervento dell’enzima topoisomerasi II che taglia un filamento del DNA favorendo lo svolgimento del DNA.
La replicazione del DNA avviene in punti specifici detti origine di replicazione: nelle cellule procariotiche c’è solo una origine di replicazione, mentre nelle cellule eucariotiche sono attive più origini di replicazione contemporaneamente, ecco perché la fase S dura solo 1-2 h.
A livello delle origini di replicazione si forma la forcella o forca di replicazione, punto di biforcazione della doppia elica parentale, in cui si ha l’intervento dell’enzima elicasi che determina il progressivo srotolamento della doppia elica del DNA parentale, favorendo la separazione dei 2 filamenti del DNA con formazione del filamento guida o leader (leading strand) e del filamento in ritardo (lagging strand) cosiddetto perché la sua sintesi inizia leggermente in ritardo rispetto a quella del filamento guida.
Le proteine SSB (single strand-binding protein) si legano ai filamenti denaturati impedendo che questi possano riavvolgersi a formare la doppia elica che bloccherebbe la replicazione.
La sintesi dei filamenti si deve all’intervento dell’enzima DNA polimerasi α che usa i precursori dNTP, cioè i deossinucleosidi trifosfato dATP, dCTP, dGTP, dTTP, da cui derivano i nucleotidi, ma per iniziare la sintesi è necessario l’intervento dell’enzima primasi che catalizza la sintesi di un Primer di RNA o innesco, cioè un corto filamento di RNA costituito da 3-5 nucleotidi che presenta un gruppo OH libero all’estremità 3’ dove la DNA polimerasi aggiuge i nuovi nucleotidi complementari al filamento stampo, unendo i nucleotidi in successione mediante legami fosfodisterici in direzione 5’→3’. L’idrolisi del pirofosfato (PPi) ad opera di una pirofosfatasi, fornisce l’energia necessaria alla reazione.
La sintesi del DNA è asimmetrica e semi-discontinua perché il DNA è costituito da 2 filamenti complementari e antiparalleli, cioè il filamento 5’→3’ e il filamento 3’→5’:

la sintesi del filamento guida avviene in direzione 5’→3’, nella direzione di movimento della forchetta di replicazione, con sintesi continua perché la DNA polimerasi aggiunge nucleotidi in successione al gruppo OH libero in 3’.
la sintesi del filamento in ritardo avviene sempre in direzione 5’→3’ ma in direzione opposta al movimento della forchetta di replicazione e in modo discontinuo perché viene sintetizzato in piccoli segmenti detti frammenti di Okazaki, lunghi 100-1000 nucleotidi, ciascuno sintetizzato a partire da un primer a RNA, che poi saranno uniti per intervento dell’enzima DNA ligasi che catalizza la formazione di un legame fosfodiestere tra il gruppo OH 3’ dell’estremità di un frammento di Okasaki e il gruppo fosfato 5’ del frammento di Okasaki adiacente, formando un filamento continuo.

Fonte: http://laprimapietra.altervista.org/alterpages/files/DispensaGeneticaUmanaeGeneticaMedica.docx

Struttura degli Acidi Nucleici: DNA, RNA